當物理槓上生物
- 英國物理學家湯姆森對地球與太陽年齡的推算，曾經強烈挑戰著達爾文的演化論。
撰文／高涌泉 台灣大學物理系教授
達爾文的演化論主張自然界千變萬化的物種是以「天擇」（自然選擇）為機制，經由長時間的演化而出現的。在很多人眼裡，這個對於物種起源的主張是個極了不起的想法，為現代生物學打下了基礎。達爾文於1859年底發表《物種原始論》，以諸多觀察證據來闡明他的學說，立即說服了不少思考過這問題的人，例如赫胥黎在讀了此書之後，就自責為什麼那麼笨，沒有想出這點子。
不過無論演化論是如何有說服力，在達爾文提出之時，整個學說還是存在著一些弱點，其中一項涉及演化所需的時間。達爾文認知這過程必然是極為冗長緩慢的，需要數億年或更長的時間。他與當時的地質學家皆接受所謂的「均變論」，即各種地質現象（如侵蝕、沉積、火山活動）的速率，古今並無太大的差異，地球表裡的地質變化是在漫長時間裡由緩慢、微小的變化所累積出來的。在這種觀點之下，地球應已存在了極長、甚至可能是無窮長的時間。如果地球的壽命確定不足以讓生物演化，那麼演化論就出麻煩了。達爾文在《物種原始論》中估計他居所附近某處沉積岩的年齡約有三億年之久，地球的年齡當然應該更長了。然而達爾文這項估計卻受到物理學家的挑戰！
向達爾文與地質學家下戰帖的是當時被視為英國最優秀物理學家的湯姆森。湯姆森在22歲之齡即成為英國格拉斯哥大學自然哲學教授，涉獵的領域極廣，於電磁學、熱力學、工程等學門都有出色成就，後來受封為克耳文（Kelvin）爵士。他對於熱力學第二定律的貢獻最廣為人知，絕對溫度的單位K即是以他的封號命名。
克耳文出道時，便將熟悉的傅立葉熱傳導理論應用於地球，研究起地球內部熱的分佈。他假設地球本身不會產生熱，而是由原先高熱的熔岩狀態逐漸冷卻成為今天的模樣。他相信只要仔細測量地表熱量流失的速率，以及了解地球內部的溫度如何隨著深度而增高，就可以估計出地球的年齡。他用當時所知最好的地質數據，推算出地球最初的溫度約為7000℃，年齡則在2000萬至4億年之間。
克耳文也在1850年代中期開始探究太陽如何發光。任何人只要知道地球與太陽的距離，以及地球表面接收的陽光能量，即可輕易推算太陽每秒鐘發射多少能量。但這些能量是哪來的？克耳文知道太陽發射的能量有三種可能來源：（1）太陽燃燒某種燃料，利用化學反應獲得熱能；（2）外界物質（如隕石或小行星）持續落向太陽，提供太陽能量；（3）太陽最初是一大團氣體，這些氣體受到重力往中心收縮，將重力位能轉換成熱能。
前兩種機制可以排除：首先化學反應能提供的熱能太少，不足以支撐太陽燃燒百萬年以上；其次，如有大量物質不斷掉向太陽，太陽的質量會增加，行星軌道也應隨之改變，然而我們並未觀測到行星軌道有太大的變動。因此克耳文便以第三種機制估算太陽的年齡，他得到的數字是3000萬年左右。總之，克耳文所推算的地球與太陽年齡，皆在數千萬至一億年間，比演化論的需求要低不少。
達爾文無法回應克耳文如此符合邏輯的分析，他悄悄地在《物種原始論》後幾版中，刪掉了原先對於某沉積岩壽命的估計，又給朋友寫信說：「湯姆森對於世界年齡的看法，已有好一陣子是最令我痛苦的煩惱。」並抱怨湯姆森「像個可怕的幽靈」。反過來，克耳文倒是理直氣壯認為自己並不是生物學家與地質學家的敵人，而是朋友，他只不過是「急切地想幫助他們尋找真相」。
然而歷史是會捉弄人的，100多年前的勝負在弱交互作用與放射現象發現之後，翻轉了過來──地球內部的熱主要來自放射性物質的衰變，而太陽的確是靠燃燒獲得能量，只不過引發燃燒的不是化學反應而是弱交互作用，因此太陽是慢慢地在「悶燒」，壽命才能長達數十億年以上。 
本文轉摘自：科學人雜誌